基于GO法的舰载机折叠翼控制系统可靠性分析

2020-05-30初雨田段富海翟祎琳

机电工程技术 2020年4期

初雨田，段富海※，翟祎琳

（1.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116023；2.大连海洋大学机械与动力工程学院，辽宁大连 116300）

0 引言

航空母舰是一个国家综合国力的集中体现，是现代海军不可或缺的装备，也是海战最重要的作战平台。航母的战斗力取决于它所能搭载的舰载机性能和数量，所以航母上的空间可谓寸土寸金。如何极大节约航母上宝贵的空间，减小舰载机所占位置，以增加数量，很大程度上取决于舰载机机翼折叠技术[1-2]。因此机翼折叠技术应用领域不断扩大。

舰载机折叠翼由内翼和外翼组成，内翼与机身连成一体[3]。当舰载机存储和运输时，外翼相对于内翼绕铰链向上转动，来节省展向占用空间。目前舰载机折叠翼的折叠按其动力源可分为液压折叠和电动折叠[2]，例如我国歼-15舰载机机翼折叠采用液压驱动折叠，然而液压驱动存在管路复杂、重量大、使用维护不便、故障率高等问题，因此采用电作动技术实现机翼的折叠显得尤为重要。纵观近几年折叠机翼的发展不难发现，先进控制驱动设备和多样化的折叠方式使得折叠机翼控制系统越来越复杂，所以折叠机翼控制系统的可靠性备受人们关注。

目前，分析舰载机折叠翼控制系统的可靠性主要有两种方法：故障树分析法（Fault Tree Analysis）和GO法（Goal-Oriented methodology）。对复杂系统，故障树分析法由于建树困难、建模一致性差等存在一定的局限性。美国Kaman公司于20世纪60年代提出了GO法的概念，并且利用GO法成功地进行了武器系统的可靠性分析。近几年，随着计算机发展，GO法也在逐渐发展和完善。相比于故障树分析法，GO法更适用于分析复杂、多状态的系统。例如马骏等[4]应用GO法分析了航空发动机控制系统的可靠性；金霞等[5]利用GO法分析了电动静液作动器的可靠性；杜彦斌等[6]利用GO法对机床再制造工艺过程进行了可靠性分析；张慕天等[7]利用模糊GO法分析了飞机主动侧杆控制系统的可靠性。

本文利用GO法定量地分析舰载机折叠翼电作动控制系统的可靠性。首先分析舰载机折叠翼控制系统，对照其原理图建立GO图模型，对折叠翼的可靠性进行定量计算和分析，并将结果同FTA法进行对比，验证了GO法在舰载机折叠翼控制系统可靠性分析中的精确性。

1 舰载机折叠翼控制系统原理

舰载机折叠翼控制系统的原理图如图1所示。整个控制系统可分为两个层次，即变形控制系统和飞行控制系统[8]。舰载机通过变形控制系统对变形机构进行控制，从而实现机翼的折叠和展开，飞行控制系统除了控制整个舰载机的飞行状态外，还需要在变形机构按预定程序变形时维持舰载机的稳定。

图1 舰载机折叠翼控制系统原理图

目前，舰载机折叠翼的折叠机构主要有连杆机构、齿轮机构等[9]。本文利用一种行星齿轮减速机构，不仅可以降低大功率电机的转速，调高其转矩，还具有传动平稳、抗冲击能力强以及工作可靠等优点。工作时，行星减速器的输入端和力矩电机的输出端相连，由行星架带动舰载机的外翼进行平稳折叠和展开，舰载机外翼的位移信号由传感器获得，并将反馈信号传递给飞行控制器和局部控制器进行处理，从而实现折叠机翼的准确控制。

2 GO法分析舰载机折叠翼控制系统可靠性

GO法进行系统分析时，首先以成功为导向建立系统的GO图；然后依照GO法操作符的运算规则，按照信号流的序列进行系统的状态概率计算；最后得到系统成功运行的概率[10]。

2.1 系统GO图建模

通过分析舰载机折叠翼控制系统中各组件的功能，根据GO法中17种操作符的特点，将系统的原理图转化为GO图，如图2所示。图中组件与GO法操作符的对应关系及可靠性数据如表1所示。表中状态值0表示组件提前状态（如电机线路短路等引起的提前启动状态），状态值1表示组件成功状态，状态值2表示组件故障状态。

图2 舰载机折叠翼控制系统GO图

图2中，用第5类信号发生器操作符表示控制信号和指令信号；用第1类两状态单元操作符表示飞行控制器、全局变形控制器、局部控制器、驱动电路、行星齿轮、舰载机外翼、位移传感器1和位移传感器2；由于力矩电机具有提前、成功、故障3种工作状态，故可用第3类触发发生器操作符表示。

2.2 GO运算

运用状态累积概率算法进行GO运算，当存在共有信号时，需要进行修正[11]，结合表1中的数据进行计算，图2中关键信号流的表达式如下。

表1 舰载机折叠翼控制系统操作符数据

（1）信号流4

式中：ARj(i)为输出为i时信号流j的状态累积概率；ASj(i)为输入为i时信号流j的状态累积概率；PRj(i)为输出为i时信号流j的状态概率；PSj(i)为输入为i时信号流j的状态概率；PCj(i)为操作符状态为i时信号流j的状态概率。

代入表1数据，通过计算可得PR15(0)=0.999 964 9，PR15(1)=1.50×10-5，即舰载机折叠翼控制系统提前启动的概率值为1.50×10-5，正常运行的概率值为0.999 964 9。

3 FTA法分析舰载机折叠翼控制系统可靠性

FTA法是一种基于逻辑因果关系的图形分析法，可用于各种系统的可靠性分析和风险评价[12]。以舰载机折叠翼故障为顶事件，建立舰载机折叠翼控制系统的故障树，见图3。

图3 舰载机折叠翼控制系统故障树图

由故障树顶事件的计算方法可得：

整理可得：

故舰载机折叠翼控制系统正常运行的概率为：

式中：λi为第i个事件发生概率；Pi为第i个事件不发生概率。

表2 各底事件数据

故障树中各底事件发生的概率如表2所示，根据表中的数据，计算得出舰载机折叠翼控制系统正常运行的概率为PE=0.999 955 6，失效率λE=1-PE=4.439 936 0×10-5。

4 GO法与FTA法对比

（1）从建模过程看，二者都是以图形来描述舰载机折叠翼的控制系统，利用GO法分析系统的可靠性时是以成功为导向，从输入端开始，根据系统组件的可靠度逐步分析成功结果。FTA法是以故障为导向，先找到代表系统故障的顶事件，按照系统层级结构逐步展开，同时在建立故障树时需要进行合理的简化，以便后续的计算。GO图更能反映出系统内各个组件之间的相互作用和关系，更加类似原理图，而故障树图能清晰地反映出系统内组件的故障状态和逻辑关系，便于分析系统的故障原因。

（2）从计算过程看，利用GO法计算舰载机折叠翼控制系统的可靠性要比FTA法更复杂。GO法计算的成功概率为PR15(0)=0.999 964 9，而故障树分析法计算的成功概率为PE=0.999 955 6，二者有微小的差异，主要是由于GO法中的功能操作符和逻辑操作符的类型更多，能够表示系统组件的多种状态，在分析舰载机折叠翼可靠性时，利用GO法分析过程中考虑了力矩电机的提前工作状态（电机线路短路等引起），而FTA法则不同，它只考虑系统组件的成功和故障两种状态，所以造成了计算结果的微小差异。